Un approccio innovativo per la rigenerazione del tessuto cartilagineo è stato sviluppato da un team di ricerca internazionale. Un idrogel nanocomposito, stimolato con onde ultrasoniche a parametri controllati, ha portato a un incremento significativo nella rigenerazione delle cellule cartilaginee incapsulate nel materiale stesso. Questa tecnica, oltre a stimolare la crescita del tessuto, riduce anche i fattori che portano alla fibrosi e al deterioramento cellulare.
Con risultati promettenti sia in vitro che in vivo, lo studio apre la strada a nuove tecniche per il trattamento delle lesioni cartilaginee, combinando la nanotecnologia con la medicina rigenerativa.
Nanomateriali Piezoelettrici e Ultrasuoni per la Rigenerazione Cartilaginea
Negli ultimi anni, l’ingegneria biomedica ha assistito a un’avanzata significativa grazie allo sviluppo e all’applicazione di nanomateriali piezoelettrici attivati in modalità wireless tramite stimolazione a ultrasuoni (US). Questa tecnologia, che genera cariche elettriche a livello locale attraverso l’effetto piezoelettrico diretto, ha aperto nuove prospettive per influenzare positivamente cellule e tessuti in maniera non invasiva in vari campi: dall’ingegnerizzazione del tessuto neurale a quella del tessuto muscolare scheletrico, così come per la rigenerazione ossea, la guarigione delle ferite, e, infine, il trattamento del cancro.
Tuttavia gli attuali approcci di stimolazione ad ultrasuoni, sia da soli che in sinergia con materiali piezoelettrici, soffrono spesso di mancanza di controllo e standardizzazione, compromettendo l’affidabilità degli studi e rallentando l’ingresso alla validazione clinica. Inoltre, per quanto riguarda la rigenerazione cartilaginea, si tratta ancora di un territorio inesplorato.
A dare una svolta in tale ambito ci hanno pensato la Scuola Superiore Sant’Anna, l’IRCSS Istituto Ortopedico Rizzoli, l’Università di Modena e Reggio Emilia, il Consiglio Nazionale delle Ricerche, l’Electrosciences Ltd., l’Istituto Italiano di Tecnologia, il PlasmaChem GmbH (Germania) e la Bar-Ilan University (Israele), partner attivi del progetto europeo ADMAIORA (Figura 1), finanziato dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea.
Il nanomateriale proposto
L’idrogel nanocomposito (i.e., Nanocomp) sviluppato dal gruppo di ricerca è composto da una matrice bioistruttiva presente sul mercato, VitroGel-RGD, arricchita con nanoparticelle di titanato di bario (BTNPs, 50 μg/ml) e nanofiocchi di ossido di grafene (GO, 25 μg/ml). Il VitroGel-RGD offre un ambiente ottimale per le cellule staminali, favorendo il loro impegno nella rigenerazione cartilaginea. Le BTNPs, note per la loro elevata piezoelettricità e biocompatibilità, generano cariche elettriche sotto stimoli meccanici, promuovendo la riparazione tessutale. Infine, il GO è stato scelto per le sue proprietà condroinduttive, che guidano le cellule verso la formazione di tessuto cartilagineo. Questa combinazione di materiali crea un ambiente favorevole per la crescita cellulare e la differenziazione specifica, offrendo nuove possibilità per il trattamento delle lesioni cartilaginee. In ogni costrutto 3D sono state incapsulati 2 milioni di cellule staminali derivati da tessuto adiposo umano. Nanocomp è stato poi sottoposto a dosi controllate di US.
Analisi proteomica
Un’analisi proteomica è stata eseguita per comprendere meglio la risposta delle cellule staminali, incapsulate nel materiale e differenziate a 10 giorni, alla stimolazione a ultrasuoni tramite il nanocomposito piezoelettrico. I campioni stimolati con US (Nanocomp+US) e non stimolati (Nanocomp-US) hanno evidenziato differenze significative, tra cui:
- Identificazione delle Proteine – Sono state identificate 960 proteine in Nanocomp-US e 604 in Nanocomp+US, con 572 proteine comuni a entrambi.
- Regolazione Differenziale delle Proteine – Tra i campioni, 32 proteine erano regolate in modo diverso in Nanocomp+US.
- Processi Biologici Influenzati – Nanocomp+US ha visto influenzati i processi legati alla meccanotrasduzione, come l’organizzazione del citoscheletro e della matrice extracellulare (ECM), nonché processi metabolici del collagene.
- Vie di Segnalazione Arricchite – In Nanocomp+US sono state arricchite vie di segnalazione importanti come quelle del Wnt non canonico e della segnalazione mediata da integrina.
- Regolazione di ITGA5 – La proteina ITGA5, coinvolta nell’adesione focale e nell’organizzazione dell’ECM, è stata notevolmente sovra-regolata nei campioni Nanocomp+US, attivando vie di segnalazione cruciali per la proliferazione cellulare e la sopravvivenza.
Condrogenesi e infiammazione
L’efficacia dei nanomateriali piezoelettrici combinati con stimolazione a ultrasuoni (US) è stata valutata anche nel promuovere la condrogenesi in un contesto di infiammazione, simulando condizioni come quelle dell’osteoartrite. In laboratorio è stato riprodotto un ambiente infiammatorio creato con IL1β, una citochina pro-infiammatoria che svolge un ruolo cruciale nel sistema immunitario e che media la risposta infiammatoria nell’organismo, contribuendo alla febbre, all’infiammazione e alla distruzione dei tessuti in vari processi patologici. L’esperimento è stato condotto in ambiente infiammatorio (i.e., terreno di coltura con aggiunta di IL1β) sia con (Infl+US) che senza stimolazione a ultrasuoni (Infl−US), confrontando i risultati con i campioni mantenuti in ambiente fisiologico (Norm+US e Norm−US), ovvero in terreno di coltura in assenza di IL1β.
I risultati hanno rivelato che, nonostante l’ambiente infiammatorio aumentasse il rilascio di citochine come IL6 e TNF-α, la stimolazione a US riduceva significativamente queste citochine già dopo il terzo giorno. Al decimo giorno, l’effetto anti-infiammatorio era più evidente, accompagnato da un aumento del gene specifico della cartilagine COL2A1. Al ventottesimo giorno, è stata confermata la presenza di collagene di tipo 2.
I risultati suggeriscono che la combinazione di nanomateriali piezoelettrici e US non solo inibisce efficacemente le citochine infiammatorie, ma stimola anche la condrogenesi. Tale approccio promette di essere un metodo efficace per trattare condizioni infiammatorie e rigenerare tessuti, aprendo nuove possibilità nel campo dell’ingegneria biomedica e della medicina rigenerativa.
Genotossicità in vitro e biocompatibilità in vivo
Nell’ambito dello sviluppo di nuove soluzioni nell’ingegneria biomedica, è fondamentale non solo dimostrare l’efficacia di un materiale o di una tecnologia, ma anche garantirne la sicurezza e la biocompatibilità. Nanocomp è stato sottoposto a test di genotossicità in vitro e di biocompatibilità in vivo, secondo gli standard ISO 10993-1 del 2018.
Genotossicità
Si tratta di test di laboratorio condotti su cellule coltivate in ambiente controllato (come in una provetta o in una piastra di coltura) per valutare se una sostanza – in questo caso Nanocomp – è capace di danneggiare il materiale genetico delle cellule, cioè il DNA. Questi test sono fondamentali per identificare potenziali agenti cancerogeni o mutageni prima che vengano utilizzati negli esseri umani o in altri organismi viventi. Per valutare la genotossicità di Nanocomp, sono stati condotti test su cellule TK6 – una linea cellulare da linfoblasto umano – per identificare eventuali danni cromosomici che potrebbero essere indotti dal materiale. I risultati hanno rivelato che nelle condizioni sperimentali adottate, Nanocomp non ha indotto danni cromosomici nelle cellule TK6. Questo indica un profilo di sicurezza genetica promettente per il Nanocomp.
Biocompatibilità
La biocompatibilità di Nanocomp è stata valutata attraverso una serie di esperimenti eseguiti in vivo (Figura 2), tra cui:
- Test di Irritazione Cutanea su conigli – per valutare la reazione della pelle all’esposizione al Nanocomp. I risultati hanno mostrato una risposta irritativa trascurabile, suggerendo che Nanocomp è ben tollerato a livello cutaneo.
- Test di Tossicità Sistemica Acuta su ratti – per indagare potenziali effetti tossici del Nanocomp quando introdotto nel sistema corporeo. Nessun segno di tossicità è stato osservato nei ratti, indicando un profilo di sicurezza sistemica favorevole.
- Test di Ipersensibilità di Tipo Ritardato su porcellini d’India – per valutare la possibilità di reazioni allergiche al Nanocomp. I risultati hanno evidenziato la sicurezza di Nanocomp, senza segni di reazioni allergiche.
Conclusioni e prospettive future
Lo studio ha evidenziato un avanzamento notevole nell’ingegneria biomedica per la rigenerazione della cartilagine. L’utilizzo di un idrogel nanocomposito con nanomateriali piezoelettrici e ossido di grafene, stimolato con ultrasuoni a parametri specifici, ha significativamente potenziato la differenziazione condrogenica delle cellule stromali mesenchimali in vitro. L’approccio ha dimostrato anche effetti anti-infiammatori notevoli, mantenendo l’efficacia pure in ambienti infiammatori.
I risultati raggiunti aprono la strada per la ricerca futura, che dovrà includere test preclinici e lo sviluppo di modelli computazionali per adattare la terapia ai contesti in vivo. Un’ulteriore esplorazione delle proprietà elettrocinetiche dei nanomateriali piezoelettrici sotto stimolazione ultrasonica promette di ampliare la comprensione di questi fenomeni e di guidare lo sviluppo di nuove terapie per la rigenerazione della cartilagine.
Fonti e approfondimenti
- ACS Nano – Ultrasound Stimulation of Piezoelectric Nanocomposite Hydrogels Boosts Chondrogenic Differentiation in Vitro, in Both a Normal and Inflammatory Milieu
- ANSA – Rigenerata la cartilagine grazie a biomateriali e ultrasuoni
- Cover Picture – Graphical representation of implanted nanocomposite materials, ultrasound waves and wearable devices
